Inhalt des Artikels
- Geothermie: Was ist das?
- Wie wird geothermische Energie gewonnen?
- Was ist ein Geothermie-Kraftwerk und wie funktioniert es?
- Wie wird Geothermie genutzt? Geothermie Heizung und Wärmepumpe
- Geothermie Vor- und Nachteile im Überblick
- Verschiedene Arten der Geothermie
- Geothermie in Deutschland
- Fazit: Eine vielversprechende Energiequelle
- Häufig gestellte Fragen
Inhalt
Geothermie: Was ist das?
Geothermische Energie, auch Erdwärme genannt, gehört zu den Energiearten, die nach menschlichem Ermessen unerschöpflich sind. Die ersten 100 Meter unter der Erdoberfläche haben eine nahezu konstante Temperatur von etwa 10 Grad Celsius.
Mit jedem weiteren 100-Meter-Schritt in die Tiefe steigt die Temperatur um durchschnittlich drei Grad Celsius. Diese natürliche Wärmequelle der Erde wird als Geothermie bezeichnet und kann mit verschiedenen Techniken zur Energiegewinnung genutzt werden.
Es existieren drei Hauptmethoden zur Nutzung der Geothermie:
- Oberflächennahe Geothermie, die bis zu einer Tiefe von 400 Metern reicht.
- Hydrothermale Geothermie-Systeme, die warmes Wasser aus Tiefen bis zu etwa 4.500 Metern nutzen.
- Petrothermale Geothermie-Systeme, die Wärme aus tiefem Gestein extrahieren, momentan bis zu einer Tiefe von 5.000 Metern.
Erneuerbare Energien wie Geothermie zeichnen sich durch ihren geringen Kohlenstoffausstoß und ihre ständige Verfügbarkeit aus. Mit Blick auf die Zukunft wird die geothermische Energie in den globalen Energiesektoren eine immer wichtigere Rolle spielen.
In diesem Artikel befassen wir uns mit den grundlegenden Prinzipien dieser erneuerbaren Energie, ihrer Nutzung und ihren vielfältigen Anwendungen. Wir erkunden auch die Vorteile und Herausforderungen sowie die verschiedenen Arten der Geothermie, mit besonderem Augenmerk auf ihren Einsatz in Deutschland.
Wie wird geothermische Energie gewonnen?
Um die geothermischen Ressourcen anzuzapfen, werden Bohrungen von bis zu einem Kilometer Tiefe oder mehr in unterirdische Reservoirs gebohrt. Diese Ressourcen können aufgrund der natürlichen Wärme-, Gesteins- und Wasserdurchlässigkeit oder durch verbesserte geothermische Systeme genutzt werden, bei denen die geothermischen Ressourcen durch ein Verfahren namens hydraulische Stimulation verbessert oder geschaffen werden. Die geothermischen Ressourcen, ob natürlich oder verstärkt, treiben Turbinen an, die mit Stromgeneratoren verbunden sind.
Was ist ein Geothermie-Kraftwerk und wie funktioniert es?
Geothermische Kraftwerke nutzen die Wärme aus dem Erdinneren zur Stromerzeugung. Diese erneuerbare Energie wird in Form von Hoch- oder Niedertemperaturwärme genutzt, die eine Kombination aus Turbine und Generator antreibt.
Die Stromerzeugung erfolgt durch die Umwandlung von Erdwärme mit Hilfe einer Turbine und eines Generators. Je nach der Wärme des geothermischen Reservoirs wird entweder Wasserdampf oder ein anderes gasförmiges Medium verwendet. Die Art des Kraftwerks hängt von der Beschaffenheit des geothermischen Reservoirs ab, genauer gesagt, ob es sich um Dampf oder Wasser handelt.
Die Stromerzeugung erfolgt durch die Umwandlung von Erdwärme mit Hilfe einer Turbine und eines Generators. Je nach Wärme des geothermischen Reservoirs wird entweder Wasserdampf oder ein anderes gasförmiges Medium verwendet. Die Art des Kraftwerks hängt von der Beschaffenheit des geothermischen Reservoirs ab, ob es sich um Dampf oder Wasser handelt.
Haupttypen von geothermischen Kraftwerken
- Trockendampfkraftwerke nutzen direkten Dampf aus der Erde, der ohne Pumpen in Turbinen geleitet wird. Dies ist historisch gesehen die erste Art von Kraftwerk, wie das Beispiel der Geysire in Nordkalifornien zeigt.
- Schnelldampfkraftwerke sind am weitesten verbreitet. Sie nutzen Wasser mit Temperaturen zwischen 180 bis 300 Grad Celsius. Durch die Verringerung des Drucks wird das Wasser verdampft („flashen“) und treibt Turbine und Generator an. Man unterscheidet zwischen ein-, zwei- oder dreistufigen Entspannungsanlagen.
- Für Thermalwassertemperaturen unter 180 Grad Celsius werden binäre Kraftwerke eingesetzt. Das Wasser wird normalerweise gepumpt. Hier wird das Wasser in der Regel gepumpt und ein Arbeitsmittel (oft organisch) in einem Wärmetauscher verdampft, das dann die Turbine und den Generator antreibt.
Kühlsysteme in geothermischen Kraftwerken
Die Kondensation und Kühlung des Dampfes oder Arbeitsmittels ist essentiell für den Betrieb. Es gibt verschiedene Kühlmethoden:
- Wasserkühlung nutzt kälteres Grund- oder Oberflächenwasser, wobei die örtlichen Bedingungen und gesetzlichen Regelungen zu beachten sind.
- Luftkühlung verwendet Luft, um Dampf oder Arbeitsmittel über einen Wärmetauscher zu kühlen. Dies ist im Winter effizienter und erhöht den Stromverbrauch.
- Verdunstungskühlung kühlt die Luft durch Wasserverdampfung unter die Außentemperatur, was zusätzlichen Energie- und Wasserverbrauch bedeutet.
In vielen Systemen wird der kondensierte und abgekühlte Dampf wieder in den Untergrund injiziert, um einen geschlossenen Kreislauf zu schaffen, besonders in Binärsystemen.
Wie wird Geothermie genutzt? Geothermie Heizung und Wärmepumpe
Geothermie ist eine erneuerbare Energie, die sowohl direkt als auch indirekt genutzt werden kann. Bei der direkten Nutzung wird die geothermische Energie direkt zum Heizen und Kühlen von Gebäuden oder zur Warmwasserbereitung verwendet. Dafür benötigt man eine Erdwärmeheizung (auch Geothermie Heizung oder. Geothermie Wärmepumpe genannt). Diese funktioniert im Prinzip wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt: Sie entzieht dem Untergrund Wärme und gibt diese an das Haus ab.
Im Gegensatz dazu steht die indirekte Nutzung, bei der die geothermische Energie zunächst in geothermischen Kraftwerken in elektrische Energie umgewandelt wird, bevor sie den Verbraucher:innen zur Verfügung gestellt wird.
Zur Steigerung der Effizienz können Kraft-Wärme-Kopplungs-Prozesse (KWK) eingesetzt werden, die allerdings von den örtlichen Gegebenheiten abhängen. Die Bedeutung der Geothermie hat in den letzten zehn Jahren deutlich zugenommen. Ein Blick auf die Entwicklung der Geothermienutzung für die Bruttostromerzeugung in Deutschland zeigt einen markanten Anstieg: Von 2008 bis 2020 hat sich der Anteil der Stromerzeugung aus Geothermie etwa verzwölffacht und erreicht im Jahr 2020 mit 217 Gigawattstunden seinen Höhepunkt – Tendenz weiter steigend
Geothermie Vor- und Nachteile im Überblick
Geothermie Vorteile
- Unabhängigkeit von Brennstoffen: Da die Geothermie die natürliche Wärme nutzt, müssen keine fossilen Brennstoffe gewonnen und verarbeitet werden
- Verlässlichkeit und Stabilität: Im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energiequellen wie Wind und Sonne ist geothermische Energie eine ständig verfügbare Energiequelle
- Vorhersagbarkeit: Die Energieerzeugung aus geothermischer Energie ist konstant und ermöglicht eine genaue Vorhersage des Energieertrags
- Vielseitigkeit beim Heizen und Kühlen: Geothermische Energie kann effizient für Heiz- und Kühlzwecke genutzt werden, da der Boden nur geringen jahreszeitlichen Temperaturschwankungen unterworfen ist
- Umweltverträglichkeit: Geothermische Energie ist umweltfreundlicher als herkömmliche Energiequellen und hat einen geringeren CO2-Fußabdruck
- Erneuerbarkeit: Geothermische Energie ist eine langfristige, erneuerbare Energiequelle, die sich natürlich regeneriert
- Enormes Potenzial: Das Energiepotenzial aus geothermischen Quellen übersteigt den derzeitigen weltweiten Bedarf und bietet Raum für eine künftige Ausweitung der Nutzung
- Fortschreitende technologische Entwicklung: Durch intensive Forschung und Entwicklung werden ständig neue Technologien und Methoden zur Steigerung der Effizienz der geothermischen Energie entwickelt
Geothermie Nachteile
- Hohe Investitionskosten: Der Bau von geothermischen Anlagen ist mit erheblichen Anfangsinvestitionen verbunden
- Standortabhängigkeit: Nur in Gebieten, in denen geothermische Ressourcen leicht zugänglich sind, wie z.B. in Island, können geothermische Kraftwerke effektiv betrieben werden
- Umweltauswirkungen: Bei der Nutzung geothermischer Energie können Treibhausgase freigesetzt werden, die im Untergrund gespeichert sind
- Seismische Aktivität: Die Erschließung geothermischer Energie birgt das Risiko, Erdbeben auszulösen, insbesondere bei Anlagen, die verbesserte geothermische Technologien nutzen und Wasser unter Druck in die Erdkruste pumpen
- Nachhaltigkeitsmanagement: Für die langfristige Aufrechterhaltung der geothermischen Energieerzeugung ist ein sorgfältiges Ressourcenmanagement erforderlich
Wissenswertes über Geothermie
Verschiedene Arten der Geothermie
Was ist oberflächennahe Geothermie?
Unter oberflächennaher Geothermie versteht man die Nutzung der Erdwärme aus Tiefen bis zu etwa 400 Metern, wo Temperaturen bis zu 25°C erreicht werden können. Dieses System wird vor allem zum Heizen und Kühlen von Gebäuden, technischen Anlagen oder Infrastruktur genutzt. Dieses System wird vor allem zum Heizen und Kühlen von Gebäuden, technischen Anlagen oder Infrastrukturen eingesetzt.
Die Wärmequellen für die oberflächennahe Geothermie sind vielfältig und umfassen
- Den natürlichen Wärmefluss von der Erde nach oben
- Seitliche Wärmeströme
- Bewegungen des Grundwassers
- Wärmeeintrag von der Erdoberfläche, der durch Strahlung oder Wärmeaustausch erfolgt, begleitet von einem negativen Temperaturgradienten
- Regenwasser, das wärmer ist als der Untergrund
- Durch Erdwärme aufgeheizte Baustrukturen wie Keller oder Fundamente
- Eingespeiste Wärme durch Erdwärmesonden für Regeneration und saisonale Speicherung
Dank dieser konstanten Wärmezufuhr ist die oberflächennahe Geothermie eine erneuerbare Energiequelle.
Die Wärmegewinnung erfolgt über unterirdische Wärmetauscher, die die Temperatur in der Umgebung absenken und so die Wärme an den Wärmetauscher abgeben. Eine besondere Variante sind Grundwasserbrunnen, bei denen mit Hilfe von Pumpen der Druck gesenkt wird, so dass das Wasser zum Bohrloch fließt.
Bei diesen Systemen zirkuliert Wasser oder eine Wärmeträgerflüssigkeit in einem geschlossenen Rohrsystem im Untergrund, nimmt dort die Wärme auf und gibt sie an eine Wärmepumpe an der Oberfläche ab. Dadurch wird die Temperatur auf das für Heizzwecke erforderliche Niveau angehoben. Bei offenen Systemen wird Wasser aus einem flachen Brunnen entnommen, um Wärme zu gewinnen, die dann nach Abkühlung in den Untergrund zurückgeführt wird. Dazu wird im Entnahmebrunnen mit Hilfe einer Pumpe ein Unterdruck erzeugt.
Darüber hinaus kann der Untergrund direkt als Quelle für die Kühlung von Klimaanlagen genutzt werden, was den Einsatz von Klimaanlagen reduziert.
Typische Systeme der oberflächennahen Geothermie sind Erdwärmekollektoren, Erdwärmesonden, Grundwasserbrunnen und erdberührte Bauteile wie Energiepfähle oder Bauwerksgeothermie. In Deutschland zum Beispiel waren 2015 rund 400.000 solcher Anlagen in Betrieb, wobei die Zahl der Neuinstallationen jährlich steigt.
Was ist hydrothermale Geothermie?
Die hydrothermale Geothermie nutzt wasserführende Schichten in einer Tiefe von etwa 2.000 bis 4.000 Metern. Diese natürlichen Vorkommen, so genannte Heißwasser-Aquifere, dienen als Wärmequelle.
Im Gegensatz zur petrothermalen Geothermie, bei der die Wärme aus dem Gestein entnommen wird, dient bei der hydrothermalen Geothermie das heiße Thermalwasser als Transportmedium, um die Wärme an die Erdoberfläche zu bringen.
Diese Form der geothermischen Energie kann je nach Temperatur des Thermalwassers sowohl zur Wärme- als auch zur Stromerzeugung genutzt werden. Die hydrothermale Geothermie umfasst zwei Arten von Wärmequellen:
- Thermalwasserfelder: Das sind Lagerstätten mit Wassertemperaturen zwischen 40 und 100 Grad Celsius. Dieses warme Wasser kann entweder auf natürliche Weise an die Erdoberfläche gelangen oder mit Hilfe von Pumpen gefördert werden.
- Hydrothermale Heißdampfvorkommen: Diese haben Temperaturen von 100 bis 250 Grad Celsius und stehen oft unter hohem Druck. Bei Bohrungen dehnen sie sich aus und setzen ein Gemisch aus Wasser und Dampf oder Trockendampf frei, das zur Wärme- und Stromerzeugung genutzt werden kann.
In Deutschland dominieren die Thermalwasserfelder. Aufgrund des hohen Mineraliengehalts des Wassers (bis zu 2 Gramm pro Liter) werden diese Anlagen in der Regel im Dublettenbetrieb, d.h. mit getrennten Wasserkreisläufen, betrieben. Das heiße Thermalwasser wird aus einer Tiefe von 1.000 bis 3.000 Metern gewonnen.
Das geförderte Thermalwasser zirkuliert an der Oberfläche in einem geschlossenen Kreislauf. Über Wärmetauscher gibt es seine Wärme an ein anderes Medium ab, das in einen separaten Kreislauf geleitet wird und Turbinen z. B. zur Stromerzeugung oder Nahwärmenetze versorgt.
Das abgekühlte Thermalwasser wird dann über eine separate Bohrung wieder in die Schicht gepumpt, aus der es ursprünglich entnommen wurde, so dass ein nachhaltiger Kreislauf entsteht.
Was ist petrothermale Geothermie?
Bei der petrothermalen Geothermie wird Energie aus tiefen Gesteinsschichten gewonnen, unabhängig von wasserführenden Horizonten. Dabei wird die in heißem, wenig durchlässigem Gestein gespeicherte Wärme genutzt.
Dies geschieht durch die Schaffung oder Erweiterung eines Wärmetauschers in der Tiefe, was auch als Stimulation bezeichnet wird. Andere Bezeichnungen für diese Technik sind Deep Heat Mining, Hot Wet Rock, Hot Fractured Rock oder Stimulated Geothermal System, wobei der umfassendste Begriff „Enhanced Geothermal Systems“ (EGS) auch stimulierte hydrothermale Systeme beinhaltet.
Das klassische HDR/EGS-Verfahren zielt auf die Erschließung von Hochtemperatur-Ressourcen mit Temperaturen über 150 bis 200 Grad Celsius in Tiefen von mehr als 3.000 Metern, vor allem im kristallinen Grundgebirge. Die Eignung von dichten Sedimentgesteinen für die EGS-Technologie wird derzeit weiter erforscht und in Pilotprojekten getestet.
Das kristalline Grundgestein der oberen Erdkruste ist meist zerklüftet. Diese Klüfte können mit hochmineralisiertem Wasser gefüllt sein und sind oft durch ein Netz von Klüften miteinander verbunden, so dass das Wasser zirkulieren kann. Manchmal sind diese Klüfte aber auch verschlossen und undurchlässig. Dies bedeutet, dass sich das Gestein wie ein Grundwasserleiter mit geringer Durchlässigkeit verhält.
Durch das Einspritzen von Wasser in ein Bohrloch wird das bestehende Risssystem erweitert (Stimulation) oder es werden neue Risse geschaffen (z. B. durch Fracking). Diese Maßnahmen erhöhen die natürliche Durchlässigkeit und schaffen verbesserte Wasserwege. Um effektive Fließgeschwindigkeiten und Temperaturen zu erreichen, muss das Kluftsystem groß genug für den Wärmeaustausch sein.
Durch den stimulierten Bereich wird ein zweites Bohrloch gebohrt, damit zirkulierendes Wasser durch diesen künstlichen „Wärmetauscher“ fließen kann. Dieses Wasser nimmt die Wärme aus dem Gestein auf. Im Gegensatz zu hydrothermalen Systemen, bei denen natürliches Thermalwasser verwendet wird, dient bei petrothermalen Systemen das künstlich zirkulierende Wasser als Wärmeträger und das Gestein als Wärmequelle.
Geothermie in Deutschland
Wo in Deutschland kann Geothermie genutzt werden?
Das Potenzial für geothermische Energie ist in Deutschland sehr unterschiedlich. Ideale Regionen sind das süddeutsche Alpenvorland, das Norddeutsche Becken und der Oberrheingraben. Diese Gebiete werden durch das Vorhandensein von Aquiferen – geologischen Formationen, die Grundwasser effizient leiten können – begünstigt.
Die Geothermie könnte in Zukunft eine bedeutende Rolle in der Wärmeversorgung spielen und ein Viertel des Wärmebedarfs in Deutschland decken. Um dieses Potenzial auszuschöpfen, wäre jedoch ein massiver Ausbau der Anlagen notwendig, bei dem in den kommenden Jahren Tausende neuer Bohrungen niedergebracht werden müssten.
Der Ausbau der Geothermie in Deutschland steht jedoch vor einer Reihe von Herausforderungen. Dazu gehört die Ungewissheit über die genaue Lage der lohnenden Heißwasserreservoire, die weitere Erkundungsbohrungen notwendig macht. Auch die geothermische Industrie, die solche Anlagen herstellt, ist derzeit noch relativ klein. Hinzu kommt, dass die gesetzlichen Regelungen und Genehmigungsverfahren komplex und zeitaufwändig sind. Außerdem ist das Bohrergebnis nicht immer garantiert, was die Investor:innen zögern lässt. Um diese Risiken abzumildern, wird eine Form der Versicherung vorgeschlagen.
Was die Wirtschaftlichkeit der Tiefengeothermie betrifft, so sind die Aussichten positiv. Die Erzeugungskosten liegen bei 2,5 bis 3 Cent pro Kilowattstunde und sind damit mit denen fossiler Brennstoffe vergleichbar. Dennoch erfordert der rasche Ausbau der Geothermie erhebliche Investitionen in Höhe von geschätzten 50 bis 60 Milliarden Euro in den nächsten zehn Jahren. Eine Empfehlung lautet, dass die Bundesregierung die Geothermie mit über einer Milliarde Euro pro Jahr fördern sollte.
Wissenswertes über Geothermie
Fazit: Eine vielversprechende Energiequelle
Geothermie oder Erdwärme ist eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle, die sich durch konstante Temperaturen im Untergrund und verschiedene Nutzungsformen auszeichnet. Sie umfasst sowohl oberflächennahe Systeme, die bis zu 400 Meter tief reichen, als auch hydrothermale und petrothermale Geothermie, die tiefere Wärmequellen erschließen. In Deutschland ist diese Energieform vor allem im süddeutschen Alpenvorland, im Norddeutschen Becken und im Oberrheingraben vielversprechend.
Geothermische Kraftwerke nutzen die Erdwärme zur Stromerzeugung, wobei sie sich durch geringe CO2-Emissionen und ständige Verfügbarkeit auszeichnen. Direkte und indirekte Nutzungsverfahren erweitern das Anwendungsspektrum der Geothermie. Trotz des großen Potenzials, bis zu einem Viertel des Wärmebedarfs in Deutschland zu decken, steht der Ausbau der Geothermie in Deutschland vor Herausforderungen wie Standortbestimmung, hohe Investitionskosten und regulatorische Hürden.
Die mit fossilen Energieträgern vergleichbare Wirtschaftlichkeit der Geothermie und ihre Umweltfreundlichkeit machen sie zu einer vielversprechenden Alternative für die Energieversorgung. Um ihr Potenzial voll auszuschöpfen, sind jedoch erhebliche Investitionen und eine stärkere politische Unterstützung erforderlich.
Häufig gestellte Fragen
Geothermie ist die Nutzung der natürlichen Wärme der Erde. Sie zeichnet sich durch eine nahezu konstante Temperatur von etwa 10 Grad Celsius in den ersten 100 Metern unter der Erdoberfläche aus, die mit jedem weiteren 100-Meter-Schritt um drei Grad steigt. Zur Gewinnung geothermischer Energie werden Bohrungen bis zu mehreren Kilometern Tiefe vorgenommen, um auf geothermische Reservoirs zuzugreifen. Diese Reservoirs treiben über Turbinen Stromgeneratoren an.
Es gibt drei Haupttypen von Geothermie-Kraftwerken: Trockendampfkraftwerke, die direkten Dampf aus der Erde nutzen, Schnelldampfkraftwerke, die Wasser bei hohen Temperaturen zum „flashen“ bringen, und binäre Kraftwerke, die für niedrigere Temperaturen geeignet sind und ein Arbeitsmittel in einem Wärmetauscher verdampfen.
Vorteile der Geothermie sind ihre Unabhängigkeit von Brennstoffen, konstante Verfügbarkeit, geringe CO2-Emissionen, und ihre Vielseitigkeit für Heiz- und Kühlzwecke. Zu den Nachteilen zählen hohe Anfangsinvestitionen, Standortabhängigkeit, mögliche Freisetzung von Treibhausgasen und das Risiko seismischer Aktivitäten.
In Deutschland wird Geothermie vor allem im süddeutschen Alpenvorland, im Norddeutschen Becken und im Oberrheingraben genutzt. Sie hat das Potenzial, einen wesentlichen Anteil der Wärmeversorgung zu decken. Herausforderungen bestehen in der Standortfindung, den Investitionskosten und den regulatorischen Hürden. Trotzdem bietet sie eine wirtschaftliche und umweltfreundliche Energiequelle, deren vollständige Ausschöpfung jedoch erhebliche Investitionen erfordert.
